1、长 沙 学 院 CHANGSHA UNIVERSITY 本科生 毕业设计 设 计 题 目： 基于 VHDL 的乒乓球游戏机 的设计 系 部： 电子与通信工程系 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名 ： 班 级： 09 电子 1 学号 2009044118 指导教师姓名： 职称 讲师 长沙学院教务处 二一一年二月制 （ 20 13 届） 本科生毕业设计说明书 基于 VHDL 的乒乓球游戏机的设计 系 部： 电子与通信工程系 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 班 级： 09 电子 1 学号 2009044118 指导教师姓名： 职称 讲师 最终评定成绩 2013 年 4 月 长沙学院 毕
2、业设计 I 摘 要 本设计是以计算机为开发平台，运用 EDA 软件工具开发环境， 使用硬件描述语言VHDL，采用自上而下的设计方法，把系统由上到下的分成几个模块设计，最后达到系统的要求，然后在 Quartus II9.1上通过编程、调试、编译、仿真，从而实现乒乓球游戏机的设计。 本文首先介绍了乒乓球游戏机的研究现状与发展趋势、乒乓球游戏机的应用、课题的研究意义以及乒乓球游戏机相关的理论知识，讲述了乒乓球游戏机的设计思路与模块划分。然后把乒乓球游戏机划分为几个模块，使用 Quartus II 仿真软件对每个模块进行了模拟仿真，并对仿真出来的结果进行研究和分析。最后把程序 下载到实验箱上，进行相关
3、的调试。 该系统结构跟传统的设计相比，具有明显的优势，例如体积小，层次分明，遇到复杂计算时能很快发现和解决问题，独立性强，修改简单等。 关键词： 可编程逻辑器件， Quartus， VHDL，乒乓球游戏机 长沙学院 毕业设计 II ABSTRACT Taking the computer as a working platform， this Table Tennis Game synthetically adopts EDA software tool development environment and the hardware descriptive language VHDL, to
4、 divide the system into several module designs from top to bottom according to the top-down design so as to meet the requirements of the system. By programming, debugging, Inter Compilation and simulation on QUARTUS II9.1, this design of Table Tennis Game will be achieved. This paper dominantly intr
5、oduces the research status, the development trend of the applications of the Table Tennis Game, the significance of the task, and the relevant theoretical knowledge of the Table Tennis Game. It formulates the ideas and modular division of the Table Tennis Game. Then, lantern controller is divided in
6、to several modules. By using the QUARTUS II9.1 simulation software, each module is simulated and the results of simulation are analyzed. Finally, the program is downloaded to the experimental box and carried out corresponding hardware debugging. The system of this design has a great advantage in com
7、parison to the traditional design, such as a more plain structure, a smaller bulk, earlier problem-findings when encountering with complex calculation, shorter design time, stronger dependence and simpler modification and so on. Keywords: PLD， Quartus， VHDL， Table Tennis Game 长沙学院 毕业设计 III 目 录 摘 要 .
8、 I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1乒 乓球游戏机的背景和意义 . 1 1.2乒乓球游戏机的应用 . 1 1.3本文的主要工作 . 2 第 2 章 乒乓球游戏机设计基础 . 3 2.1乒乓 球游戏机的基本特点 . 3 2.2 可编程逻辑器件概述 . 3 2.3 VHDL语言以及 Quartus II应用 . 6 2.4本章小结 . 7 第 3 章 基于 VHDL 的乒乓球游戏机的设计 . 8 3.1 乒乓球游戏机基本原理 . 8 3.2 乒乓球游戏机的模块设计 . 9 3.2.1 分频器模块设计 . 9 3.2.2 PRBS 伪随机数产生模块设计 . 10 3.
9、2.3 乒乓球控制模块设计 . 11 3.2.4 按键扫描模块设计 . 12 3.2.5蜂鸣器模块设计 . 13 3.2.6 数码管显示模块设计 . 13 3.3 pingpongtop 系统整体结构 . 14 3.4本章小结 . 15 第 4 章 乒乓球游戏机的仿真及硬件验证 . 16 4.1乒乓球游戏机的波形仿真 . 16 4.2引脚的锁定 . 19 4.3 编程下载及验证 . 19 4.4本章小结 . 24 结 论 . 25 参考文献 . 26 附 录 . 27 长沙学院 毕业设计 IV 致 谢 . 41 长沙学院 毕业设计 1 第 1章 绪 论 1.1 乒乓球游戏 机的背景和意义 乒乓
10、球起源于十九世纪末的英国。发展初期是作为一种娱乐游戏，最初的乒乓球是由弹性强的材料制成，拍子是木质板（如雪茄盖盒） ,像网球一样在桌上打，故称之为“ Table tennis （ 桌上网球）”。 1910年之后，由于科学技术的发展，球才改成用空心球。此后，乒乓球作为新兴运动发展起来。 第一次大型乒乓球比赛于 1900 年 12 月在英国伦敦举行，参加比赛的有三百多人 1。 而乒乓球又叫中国的国球， 至今中国在乒乓球这一项目上共获得 120多个世界冠军，两次包揽奥运会的全部金牌、三次包揽世乒赛。五十年来，中 国乒乓球一直处于霸主地位，即使面对过挫折，中国乒乓球队也总能在最短的时间内找到最有效的办
11、法。他们创造了许多经典的战例和不败的神话，这均是我们中国人的骄傲，为此而自豪。 1971 年中美两国以乒乓球就为契机建立外交，这便是著名的“乒乓球外交”，可见乒乓球文化的影响深远。 乒乓球运动具有方便、场地小等优点，在现代运动中占有着很重要的地位。随着人们生活水平的不断提高，对乒乓球设备的先进性有了更高的要求。 随着科技的发展 ,世界进入了电子时代，剧烈的户外运动难以满足忙碌的人们对乒乓球的热情，于是简易方便的乒乓球游戏机应运 而生，为快节奏生活的人们提供了娱乐与开心 2。 随着人们的物质生活越来越好，人们开始对娱乐有了新的追求，尤其是进入新世纪以来各种电子产品的不断更新，更是促进了我国的电子
12、行业的发展，为此，能够推出一款新的游戏产品是非常有前景的，此次设计正是考虑了当前的社会现状，设计出一款“乒乓球”游戏机，现有的乒乓球游戏机大多数均是基于单片机实现，本设计将采用 FPGA技术来实现对“乒乓球游戏机”的设计 3。 1.2 乒乓球游戏机的应用 在平时的生活中，智能化的娱乐产品非常流行。而 FPGA具有功能强，可靠性高、 方便快捷、体 积小重量轻等优势。在国内外和自动化控制以及各个相关领域得到广泛 运用。此次设计出的乒乓球游戏机有很强的实用性，高度模拟正规乒乓球比赛。其比赛规则为裁判发出比赛开始信号，随机抽取 A还是 B先发球。比赛进行中，选手连续获得两次发球权后，发球权交予对方发球
13、，裁判端犯规则蜂鸣器鸣响：每方发两个球以后由长沙学院 毕业设计 2 对方发球，不能连续发 3个球，如果抢发球，那么电路鸣响，但是都不扣分。一排发光管排列成行模拟乒乓球行进路径，其行进速度由输入的时钟信号控制： led灯我们设置了十个，速度我们可以用两个开关采用四个 2进制组合设计四种速度，比如 0表示开关关， 1表示开关开， 00表示速度最慢， 01其次， 10再快点， 11表示速度最快，在每次比赛前先设置好球行进的速度。比赛选手通过按钮输入模拟击球信号，当发光管亮到最后一个的瞬间，若检测到对应的表示球拍的键的信号，立即将“球”反向运行，若没有接到信号，将给出出错鸣叫，同时为对方记 1分，并将
14、记分显示出来：比赛运行，发光管代表乒乓球移动， A如果发球， B没接到，那么 A得一分（也即是说谁没接到球，对方得分），同时电路响，另外比分是 11分制，不管谁的分数到了 11分，比赛就结束，谁的分数先到 11分谁赢得比赛。因此，我 们设计出的乒乓球游戏机功能齐全，必将能够受到广大用户的欢迎。 1.3 本文的主要工作 乒乓球游戏机的设计 主要工作平台是计算机平台，以 EDA 为主要的开发环境，采用的是 VHDL 硬件描述语句，是由上而下的设计方法分出几个小模块，从而达到其任务要求。接着在 Quartus II 9.1 软件上进行编译，调试和仿真，最后实现乒乓球游戏机的设计。第二章主要是介绍了
15、乒乓球游戏机的工作原理和基本特点，通过查阅大量资料、学习 VHDL 语言，最后能掌握一些理论知识，并可以熟练操作 Quartus II 9.1。 第三章 先 是对乒乓球游戏机 作出总体方案设计，然后进行拆分，分析和设计每一个小模块。 第四章四 依据前一章节，编译程序，接着进行模拟仿真，仔细的分析其仿真结果，最后把程序下载到开发板，做最后的硬件测试并做出总结。长沙学院 毕业设计 3 第 2章 乒乓球游戏机设计基础 2.1 乒乓球游戏机的基本特点 本文设计的 乒乓球游戏机的最大特点在于所有 功能 模式均由软件控制完成 。本设计是以计算机为平台，使用 EDA 开发 工 具来 开发环境，用 VHDL
16、语言来编写程序，载体由ASIC 来实现。程序写好后通过 QuartusII9.1 软件来进行编译、调试、仿真。整个系统可以分为分频器、计数器、随机 数产生模块、乒乓球游戏机核心控制模块、数码管显示模块，蜂鸣器模块，按键扫描这几个模块来完成。 2.2 可编程逻辑器件概述 可编程逻辑器件 (PLD)，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的 PLD 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与 或”表达式来描述，所以， PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 它有如下特点： 1.逻辑电路的设计和测试均可在计算机上实现，设计成功的电路可方便的下载到 PLD，因而可研制周期短
17、、成本低、效率高，使产品能在极短时间内推出。2.用 PLD实现的电路容易 被修改。这种修改通过 PLD重新编程实现，可以不影响其外围电路。因此，其产品的维护、更新都很方便。 PLD 使硬件也能象软件 一 样实现升级，因而被认为使硬件革命。 3.较复杂的数字系统能用 1 片或数片 PLD 实现，因而，应用 PLD生产的产品轻小可靠。此外， PLD 还具有硬件加密功能。 4.应用 PLD 设计电路时，需选择合适的软硬件平台（开发系统）。因此， PLD 得到广泛的应用。 不管是复杂或是简单的的数字电路系统均是由最基本门所组成的，比如与、或、非、传输等。基本门能组成两种不同的电路 4，一个是时序电路；
18、另一个是组合电路。组 合电路都可以采用与或门二级电路来实现、而时序电路则可以在组合电路的基础上加上储存原件（如锁存器、触发器、 RAM等）。 不过人们发现并不是一切基本门都是必要的。所以，人们设计出了可编程结构电路，其原理和结构图如图 2.1所示。 长沙学院 毕业设计 4 图 2.1 简单的 PLD 器件的原理结构图 按照 PLD的结构体系，主要可分为简单 PLD（包括 PAL（ Programmable Array Logic 可编程阵列逻辑）、 GAL（ Generic Array Logic 通用阵列逻辑）等）、 CPLD（ Complex Programmable Logic Devi
19、ce 复杂可编程逻辑器件）和 FPGA（ Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列）。 PLD的结构体系如图 2.2所示 图 2.2 PLD 的结构体系 另外，最早使用的 PLD是 FPLA(Field Programmable Logic Array)现场可编程逻辑阵列，它的与、或阵列均可编程，现在已经很少使用。 EPLD是可擦除的可编程逻辑器件Erasable Programmable Logic Device 的缩写。有的资料把可擦除的 PLD 都统称为 EPLD，但更一般的是指继 PAL、 GAL 之后推出的一代集成度远高于 PAL、 GAL，但相对 CPLD 和FPGA较低的可擦除的可编程逻辑器件。 时至今日，生产的绝大多数可编程逻辑器件都是可擦除的了。 PROM、 EPROM、 EEPROM这些存储器也可当作一种可编程器件。它们的与阵列（即地址译码器）是固定的，并且将所有输入变量的最小项全部译出了。而它们的或阵列（即存储阵列）是可编程的。但
